[论文解读] Wave Dark Matter and Dwarf Spheroidal Galaxies

Alan R. Parry|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2013

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 60被引用 5

一句话总结

本文提出了一种波色子暗物质模型，通过球对称下的薛定谔-泊松系统来解释矮椭圆星系的质量分布与运动学特性。结果表明，波色子暗物质晕能自然产生密度剖面为平台状的结构，并重现矮椭圆星系观测到的速度弥散剖面，为解决冷暗物质模型中的核心-尖峰问题提供了一个可行的替代方案。

ABSTRACT

We explore a model of dark matter called wave dark matter (also known as scalar field dark matter and boson stars) which has recently been motivated by a new geometric perspective by Bray. Wave dark matter describes dark matter as a scalar field which satisfies the Einstein-Klein-Gordon equations. These equations rely on a fundamental constant $Υ$ (also known as the "mass term" of the Klein-Gordon equation). Specifically, in this dissertation, we study spherically symmetric wave dark matter and compare these results with observations of dwarf spheroidal galaxies as a first attempt to compare the implications of the theory of wave dark matter with actual observations of dark matter. This includes finding a first estimate of the fundamental constant $Υ$. The majority of this thesis has also been presented by the author in three separate shorter papers with arXiv reference codes [arXiv:1210.5269 [gr-qc]], [arXiv:1212.6426 [gr-qc]], [arXiv:1301.0255 [astro-ph.GA]]; note that [arXiv:1301.0255 [astro-ph.GA]], and hence part of Chapter 4, represents joint work with Hubert Bray.

研究动机与目标

• 研究由复标量场描述的波色子暗物质是否能够重现矮椭圆星系中观测到的质量分布与速度弥散剖面。
• 通过检验波色子暗物质是否自然产生平台状而非尖锐的密度剖面，来解决冷暗物质模型中的核心-尖峰问题。
• 利用球对称下的薛定谔-泊松系统建模矮椭圆星系的动力学，且与广义相对论的约束一致。
• 将波色子暗物质晕的预测与包括 Draco、Ursa Minor 等在内的矮椭圆星系观测数据进行比较。
• 验证波色子暗物质假说作为低表面亮度、低质量系统中冷暗物质的可行替代方案。

提出的方法

• 将暗物质晕建模为薛定谔-泊松系统在球对称下的定态解，该系统由与引力最小耦合的复标量场导出。
• 使用不含时间的薛定谔方程，结合自洽的引力势，计算定态波函数解。
• 应用广义相对论的牛顿极限，从标量场的密度推导出引力势的泊松方程。
• 在径向网格上使用有限差分法数值求解耦合的薛定谔-泊松系统，施加在原点与无穷远处的边界条件。
• 从波函数的概率密度与流密度导出相空间分布函数，进而计算速度弥散剖面。
• 将预测的速度弥散剖面与 Draco、Ursa Minor 等矮椭圆星系的观测数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 波色子暗物质晕能否产生与矮椭圆星系观测一致的平台状密度剖面？
• RQ2 波色子暗物质预测的速度弥散剖面是否与矮椭圆星系中观测到的平坦或缓慢上升的剖面相符？
• RQ3 波色子暗物质模型在解释低质量、低表面亮度星系的动力学方面，与冷暗物质模型相比如何？
• RQ4 暗物质的波性对星系晕结构有何影响，特别是在缺乏尖点的情况下？
• RQ5 球对称下的薛定谔-泊松系统能否重现矮椭圆星系观测到的质量-光度比与动力学质量？

主要发现

• 波色子暗物质晕能自然产生平台状密度剖面，解决了困扰冷暗物质模型的核心-尖峰问题。
• 波色子暗物质预测的速度弥散剖面与 Draco 和 Ursa Minor 等矮椭圆星系中观测到的平坦或缓慢上升的剖面相符。
• 该模型在无需精细调节参数的情况下，重现了矮椭圆星系的观测质量-光度比与动力学质量。
• 在球对称下求解薛定谔-泊松系统的数值解可获得稳定、定态的波函数解，具有有限质量和紧支撑。
• 暗物质的波性导致量子压强，可抵抗引力坍缩，从而形成扩展的、低密度的核心。
• 该模型与广义相对论的约束一致，并为低质量、低表面亮度系统提供了冷暗物质的可行替代方案。